CN212183431U - 控制电路和有轨车辆 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及控制电路和有轨车辆。在转子自由旋转的状态下确定永磁体电机PM1中转子的位置的控制电路、系统和方法200，电机经由逆变器电路102连接到直流电压链路101，其中逆变器电路可操作用于将所述电机的定子的绕组连接到直流电压链路，该方法包括以下步骤：步骤a)使所述永磁体电机的定子的绕组短路201，步骤b)测量202定子的短路的绕组的反电动势EMF，以及步骤c)借助于测得的反EMF来确定203转子的位置。

Description

控制电路和有轨车辆
技术领域
本实用新型涉及一种确定永磁体电机中转子的位置的控制电路和有轨车辆。更具体而言，本实用新型涉及一种确定永磁体电机中自由旋转的转子的位置的控制电路和有轨车辆。
背景技术
在具有永磁体电机的现代有轨车辆中，非常需要确定转子的位置，因为为了控制永磁体电机，必须知道转子的位置，尤其是如果转子处于自由旋转状态，那么这是不容易实现的。例如，如果有轨车辆在下坡行驶并且定子绕组处于非活动状态并且转子自由旋转以节省能量，那么可能会出现这种状态。当再次激活电机时，需要精确了解转子的位置，以便提供相对于转子具有正确相位的磁场。迫切需要一种确定永磁体电机中自由旋转的转子的位置的方法。
此外，如果有轨车辆配备了两个或更多个连接到同一直流电压链路的永磁体电机，那么重要的是确定自由旋转的转子的位置的方法不影响直流电压链路的电压或造成不期望的电机扭矩，这种不期望的电机扭矩影响乘客的舒适度的和/或对有轨车辆的传动链造成不必要的磨损。
有几种已知的方法来确定停止的永磁体电机(即，转子已没有角速度)中转子的位置。但是，这些方法不能用于确定自由旋转的转子的位置。
在本公开中，“自由旋转的转子”应当被解释为在不受定子绕组中流动的电流所提供的磁场影响的情况下旋转的转子。通常，这意味着逆变器电路将绕组的引线保持在高阻抗状态而不连接到直流电压链路(DC链路)。
实用新型内容
在一个方面，本实用新型公开了一种控制电路(CC)，用于在转子自由旋转的状态下确定永磁体电机(PM1)中转子的位置，其特征在于，所述电机经由逆变器电路(102)连接到直流电压链路 (101)，其中直流电压链路具有与DC电压源(V1)串联连接的电感器(L1)，逆变器电路(102)具有连接到控制电路的控制线，所述控制电路包括：
-控制信号输出端，连接到逆变器电路的控制线，并且能够操作用于在一定间隔期间借助于逆变器电路来控制向所述电机的定子的绕组的电力供应；
-反电动势EMF电流传感器，被提供用于在绕组的短路期间测量所述电机的定子的绕组的反EMF电流；
-输出端，提供转子的确定的位置，其中控制电路被配置为在所述间隔期间借助于逆变器电路使定子的绕组短路，并且被配置为测量绕组中感应的反EMF电流，其中控制电路被配置为使用测得的反EMF电流来计算转子的位置。
在一个实施例中，所述控制电路还包括：
-最大电流电路，被配置为确定最大反EMF电流；以及
-输入端，用于接收关于转子旋转速度的信息；
其中控制电路被配置为使用反EMF电流、转子的旋转速度和电机参数来确定短路间隔。
在一个实施例中，所述控制电路还包括：
-最大电流电路，被配置为确定最大反EMF电流；
其中控制电路被配置为借助于逆变器电路使转子的绕组短路，并且在短路期间测量反EMF电流，并且如果测得的反EMF电流等于或大于最大反EMF电流，那么短路中止。
在一个实施例中，所述控制电路还包括：
-同步参考系锁相环电路(300)，连接到反EMF电流传感器并且被配置为输出转子位置信号。
在一个实施例中，在预定时段期间以开关频率执行步骤a)至c)，使得占空比等于或大于0.5。
在一个方面，本实用新型涉及一种有轨车辆(600)，其特征在于，所述有轨车辆(600)包括：
-根据本公开的一个方面的控制电路(CC)；
-永磁体电机(PM1)；
-直流电压链路(101)；
-逆变器电路(102)，连接到直流电压链路并且连接到电机，其中逆变器电路包括控制线，用于控制向所述电机的定子的绕组的电力供应。
本实用新型提供了在转子自由旋转的状态下确定永磁体电机中转子的位置的电路、系统和方法。在自由旋转的转子启动期间，自由旋转的转子的确定的位置的小误差会造成电机扭矩和DC链路电压的严重扰动。在确定转子的位置并且可以起动电机之前，需要几种已知的解决方案来停止自由旋转的转子。
根据本实用新型，提供了一种在转子自由旋转的状态下确定永磁体电机中转子的位置的方法。电机经由逆变器电路连接到直流电压链路，其中逆变器电路可操作用于将所述电机的定子的绕组连接到直流电压链路，该方法包括以下步骤：
a)使所述永磁体电机的定子的绕组短路；
b)测量定子的短路的绕组的反电动势(EMF)；以及
c)借助于测得的反EMF来确定转子的位置。
这个方法是有利的，因为它允许在不停止转子的情况下确定自由旋转的转子的位置。此外，它允许确定自由旋转的转子的位置而不干扰直流电压链路或引起电机扭矩，如果将几个永磁体电机连接到同一个直流电压链路，那么这会是有利的。另外，如果其它车辆连接到同一个DC线路，例如在直流电压馈送系统中，那么该方法也可以是有用的。
在一个实施例中，步骤a)还包括：确定期望的最大反EMF电流；确定自由旋转的转子的速度；基于期望的最大反EMF电流、自由旋转的转子的速度和电机参数来计算预定的短路间隔；以及在预定的短路间隔期间借助于逆变器电路使绕组短路。
这允许选择非常小的反EMF电流来确定位置，从而减少了永磁体电机和逆变器电路的不必要的发热。如果期望的最大反EMF电流足够小，那么再生电力和电机扭矩可以非常小。
在一个实施例中，步骤a)还包括：确定期望的最大反EMF电流；使定子的绕组短路并测量反EMF电流，并且当测得的反EMF电流等于或大于期望的最大反EMF电流时，短路中止。
这允许使用永磁体电机的标准电流保护电路来设置最大反EMF 电流。例如，在确定转子的位置期间，永磁体电机的过电流保护设置被降低到期望的最大反EMF电流。
在优选实施例中，步骤a)至c)在同步参考帧锁相环中执行。
这允许在转子自由旋转的状态下快速高效地确定永磁体电机的转子位置，这易于在软件和硬件中实现。
附图说明
图1是根据本实用新型实施例的控制电路的框图；
图2是图示根据本实用新型实施例的方法的示意性框图；
图3是根据本实用新型实施例的锁相环的示意性框图；
图4是图示根据本实用新型实施例执行的实验的图；
图5是图示根据本实用新型实施例执行的实验的图；以及
图6是根据本实用新型的实施例的有轨车辆的示意图。
具体实施方式
如以下将详细解释的，本发明人已经设计出在转子自由旋转的状态下确定永磁体电机中转子的位置的方式。这是通过使定子绕组短路并测量感应的反电动势(EMF)电流并使用锁相环确定位置来实现的。
根据以下公式，永磁体电机的旋转的转子生成具有u相的三相反EMF：
e(t)＝ωel·Ψm·sin(α)
α＝ωel·t
ωel＝p/2·ω
其中Ψm是由永磁体生成的磁链，α是转子的位置，ω是转子的转速，并且p是电机中的极数。
短路时间(tON)远小于1/(2π·ωel)的短路的永磁体电机中的感应反 EMF iph可以被推导为等于：
iph(tk)＝ωel·Ψm·cos(ωel·tk)·tON/Lq [等式0]
其中tON是短路时间，ωel是相对于电机的极的转速，Ψm是由永磁体生成的磁链，Lq是q方向上的电机电感，并且iph是反EMF电流。
反EMF电流iph允许在不停止转子的情况下确定转子位置。
第一实施例
图1是总体上用CC表示的控制电路的示意性框图，该控制电路用于在转子自由旋转的状态下确定永磁体电机PM1中转子的位置。电机经由逆变器电路102连接到直流电压链路101。直流电压链路具有连接在以“+”指示的正极线和以“-”指示的负极线之间的电容器C1。此外，直流电压链路具有串联连接到DC电压源V1的电感器L1。电压源可以是AC源和向直流电压链路提供DC电压的整流器网络。逆变器电路102具有连接到控制电路的控制线。逆变器电路包括由相应控制线控制的多个开关元件S1、S2、S3。在借助于相应的控制线激活开关元件后，取决于施加到控制线的控制信号，将开关元件的输出端连接到直流电压链路的正极线或直流电压链路的负极线。开关元件的常见实施方式是在直流电压链路的正极线和负极线之间串联连接的两个晶体管。将开关元件的输出端连接到将晶体管彼此连接的导线。开关元件中使用的常见晶体管类型是IGBT(绝缘栅双极晶体管)，但是也可以使用功率MOSFET。
控制电路具有连接到逆变器电路的控制线并且由此连接到对应开关元件的控制信号输出端。控制信号输出端可操作以用于在间隔期间借助于逆变器电路控制向所述电机的定子的绕组的电力供应。如果开关元件同时将绕组连接到正极线或者负极线，那么这些控制信号输出端可以被用于使所有绕组短路。这意味着用于驱动永磁体电机的逆变器电路可以被用于使绕组短路。
控制电路还具有反电动势(EMF)电流传感器103、104，其被提供用于在绕组的短路期间测量所述电机的定子的绕组的反EMF电流。
控制电路还包括提供转子的确定的位置的输出α，其中控制电路被配置为在间隔期间借助逆变器电路使定子的绕组短路，并被配置为测量在绕组中感应的反EMF电流，其中控制电路被配置为使用测得的反EMF电流来计算转子的位置。
为了理解如何执行转子位置的确定，现在参考图2，图2是图示该方法的流程图，该方法总体上表示为200。
该方法涉及：
a)使所述永磁体电机的定子的绕组短路(201)。由于转子处于旋转状态，因此如果定子的绕组连接到负载或被短路，那么转子的永磁体会在定子中感应出反EMF电流。
b)测量(202)定子的短路的绕组的反电动势(EMF)；以及
c)借助于测得的反EMF来确定(203)转子的位置。
第二实施例
优选地，由于短路会在电机和逆变器电路中引起应力，短路间隔尽可能短。在一个实施例中，该方法可以包括：
确定适用于永磁体电机、逆变器电路和直流电压链路的期望的最大反EMF电流。
确定自由旋转的转子的速度，例如，如果永磁体电机用在有轨车辆上，那么可以通过其速度计或GPS速度来实现这一点。其它实施例可以利用一些旋转传感器。
基于期望的最大反EMF电流、自由旋转的转子的速度和电机参数来计算预定的短路间隔。可以使用以下等式来执行此操作：
tON＝ωel·Ψm/(Lq·iph,max) [等式1]
这是使用上面的等式和定义得出的，其中tON是短路时间，ωel是相对于极的旋转速度，Ψm是由永磁体生成的磁链，Lq是q方向上的电机电感，并且iph,max是期望的最大反EMF电流。
第三实施例
在第三实施例中，该第三实施例可以不涉及短路间隔的计算。该方法涉及确定期望的最大反EMF电流。该方法还涉及使定子短路并测量反EMF电流，并且当测得的反EMF电流等于或大于期望的最大反EMF电流时，短路中止。这个第三实施例可以使用永磁体电机的内部过电流保护来设置期望的最大反EMF电流。
锁相环
以上讨论的方法和实施例优选地在锁相环中执行，其中定子电流用作锁相环的输入。这种锁相环在图3中以框图形式显示，总体上表示为300。
锁相环包括用于接收测得的反EMF电流的输入端子301，在框 302中将彼此成120度角的接收到的反EMF电流的三相量变换到正交固定参考系，其中Iα(沿着α轴)和Iβ(沿着β轴)彼此垂直，但是在与三相参考系相同的平面中，将变换后的信号输入到第一乘法器303和第二乘法器304。在求差框305中计算第一乘法器与第二乘法器的输出之间的差。这个差被用作第一增益级306的输入和第二增益级310的输入。来自第一增益级306的放大的差被输入到第一积分器307。来自第一积分器307的输出被输入到求和框308。来自第二增益级310的输出也被输入到求和框308。来自求和框308的输出在第二积分器309中被积分，其中来自第二积分器的输出是在输出端子 311处可用的旋转的转子的确定的位置。但是，确定的位置被用作到正弦框312和余弦框313的反馈信号。来自正弦框的输出被用作第一乘法器303的输入。来自余弦框313的输出被用作第二乘法器304的输入。以这种方式，计算转子的确定的位置。
实验1
在图4中，公开了来自第一实验的数据图。这个实验是在永磁体电机上进行的，其目标是期望的最大反EMF电流为10A。根据第二实施例的方法与根据图3的锁相环一起使用。计算低速时的开关频率 fsw，使得占空比(fsw*tON)等于或小于0.5。最大开关频率被选为2kHz。使用电机参数和等式[等式1]，得到tON＝27us。
图4中的第一个图作为三角脉冲示出了作为时间的函数的测得的反EMF电流。峰值保持电路被用于测量每个间隔期间的最大反 EMF电流，并且在图中以方形信号示出。
图4中的第二个图示出了自由旋转的转子的真实位置与自由旋转的转子的确定的位置之间的随时间的位置差。从这个图可以清楚地看出，估计的位置的误差在10ms之后接近零。这清楚地示出了第二实施例的有益特征。
实验2
在图5中，公开了来自第二实验的数据图。这个实验是在永磁体电机上进行的，其目标是期望的最大反EMF电流为10A。根据第三实施例的方法与根据图3的锁相环一起使用。最大开关频率被选为 2kHz。图5中的第一个图作为梯形波形示出了作为时间的函数的测得的反EMF电流。峰值保持电路被用于测量每个间隔期间的最大反 EMF电流，并在图中以方形信号示出。从这个图中可以容易地在梯形电机电流中看到10A的最大反EMF电流。
图5的第二个图示出了自由旋转的转子的真实位置与自由旋转的转子的确定的位置之间的随时间的位置差。从这个图可以清楚地看出，估计的位置的误差在25ms之后接近零。这清楚地示出了第三实施例的有益特征。
第四实施例
在图6中，示意性地图示了总体上表示为600的有轨车辆。有轨车辆600具有根据以上公开的实施例中的任何一个的控制电路CC。有轨车辆具有第一永磁体电机PM1和直流电压链路101。直流电压链路经由受电弓602和整流器电路RC连接到悬链601。当然，将直流电压链路连接到电源的其它方式也是可能的。有轨车辆还具有连接到直流电压链路和第一永磁体电机的逆变器电路102，其中逆变器电路包括用于控制向所述永磁体电机的定子的绕组的电力供应的控制线。有轨车辆还可以具有经由第二逆变器电路IC2连接到直流电压链路 101的第二永磁体电机PM2。现在将在仅使用第二永磁体电机并且第一永磁体电机自由旋转的情况下讨论这种有轨车辆。当有轨车辆上的负载增加时，需要第一永磁体电机，并且由于有轨车辆在运动中，因此不能停止第一永磁体电机以确定转子在其中的位置。转子位置可以被用于提供第一永磁体电机的平稳起动。因此，上面公开的实施例对于确定第一永磁体电机中的转子的位置可以是有用的，并因此提供了在直流电压链路上没有任何扰动的情况下起动该电机的方式。因为，起动具有已知的转子位置的永磁体电机容易由本领域技术人员进行。
第五实施例
根据第五实施例，一种非瞬态计算机可读介质在其中存储有数据存储程序，该数据存储程序使计算机执行以上公开的方法并控制逆变器电路并接收关于测得的反EMF电流的信息。该计算机可以是现场可编程门阵列(FPGA)设备和/或数字信号处理器(DSP)。
修改和变化
可以对本文描述的实施例做出许多修改和变化。
例如，逆变器电路可以连接到电池而不是直流电压链路。因此，也可以使用本文公开的方法在电池操作的车辆或机器中确定自由旋转的转子的位置。因此，这种新颖的方法仅需要关于自由旋转的转子的旋转速度的信息以及用于感测反EMF电流和一些电机参数的传感器。

Claims (6)

1.一种控制电路，用于在转子自由旋转的状态下确定永磁体电机(PM1)中转子的位置，其特征在于，所述电机经由逆变器电路(102)连接到直流电压链路(101)，其中直流电压链路具有与DC电压源(V1)串联连接的电感器(L1)，逆变器电路(102)具有连接到控制电路的控制线，所述控制电路包括：
-控制信号输出端，连接到逆变器电路的控制线，并且能够操作用于在一定间隔期间借助于逆变器电路来控制向所述电机的定子的绕组的电力供应；
-反电动势EMF电流传感器，被提供用于在绕组的短路期间测量所述电机的定子的绕组的反EMF电流；
-输出端，提供转子的确定的位置，其中控制电路被配置为在所述间隔期间借助于逆变器电路使定子的绕组短路，并且被配置为测量绕组中感应的反EMF电流，其中控制电路被配置为使用测得的反EMF电流来计算转子的位置。
2.如权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述控制电路还包括：
-最大电流电路，被配置为确定最大反EMF电流；以及
-输入端，用于接收关于转子旋转速度的信息；
其中控制电路被配置为使用反EMF电流、转子的旋转速度和电机参数来确定短路间隔。
3.如权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述控制电路还包括：
-最大电流电路，被配置为确定最大反EMF电流；
其中控制电路被配置为借助于逆变器电路使转子的绕组短路，并且在短路期间测量反EMF电流，并且如果测得的反EMF电流等于或大于最大反EMF电流，那么短路中止。
4.如权利要求1至3中的任一项所述的控制电路，其特征在于，所述控制电路还包括：
-同步参考系锁相环电路(300)，连接到反EMF电流传感器并且被配置为输出转子位置信号。
5.如权利要求1至3中的任一项所述的控制电路，其特征在于，其中，在预定时段期间以开关频率执行步骤a)至c)，使得占空比等于或大于0.5，其中步骤a)至c)为以下步骤：
a)使所述永磁体电机的定子的绕组短路；
b)测量定子的短路的绕组的反电动势EMF；以及
c)借助于测得的反EMF来确定转子的位置。
6.一种有轨车辆，其特征在于，所述有轨车辆(600)包括：
-如权利要求1至5中的任一项所述的控制电路(CC)；
-永磁体电机(PM1)；
-直流电压链路(101)；
-逆变器电路(102)，连接到直流电压链路并且连接到电机，
其中逆变器电路包括控制线，用于控制向所述电机的定子的绕组的电力供应。
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